关于超疏水的文献综述

关于超疏水的文献综述目录一．超疏水的发现与基本性质二．超疏水表面制备方法1.电纺法2.模板印刷法3.腐蚀法三．超疏水界面对拉曼测试的增强作用四．超疏水表面研究存在的问题五．结论与展望学生学号：学生姓名：学生班级：完成时间：一．超疏水的发现与基本性质浸润性是固体表面拥有的一种基本性质。如今，浸润性是个热门话题并且与能源、环境和健康等有很大关系。从1805年起，以杨氏方程【1】为基础的关于固体与液体间的接触面性质的研究就开始了。1907年，Ollivier首次发表了一篇关于在基面上镀炭黑的超疏水表面。自此，浸润性成为了入门话题。直到1997年，自然界的“莲花效应”被Barthlott和Neinhuis证明【2】。五年后，超疏水的一个更为准确的机理出现了，即基于荷叶的研究，组合化学物质和表面的几何结构于一体【3】，科学家首先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引起的。其后江雷等人对荷叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷叶表面“自清洁”的根本原因。随时科技的进步与对更好生活的向往，超疏水材料近年来得到了广泛关注。超疏水材料有着不可思议的自我清洁和防冻防雾等优良特性。受到许许多多的生物的自然疏水特性的启发，例如，出于淤泥的荷花正是由于自身表面的疏水性质，使得水流聚股流下，将污泥冲洗下去。足部也有疏水性质，这导致他们可站立在水面上且不会陷入水中。润湿性可以用表面上水的接触角来衡量,通常将接触角小于90˚时的固体表面称亲水表面(hydrophilicsurface),大于90˚称疏水表面(hydrophobicsurface)【4】-【5】。目前，我们定义超疏水材料表面稳定接触角要大于150°，滚动接触角小于10°【6】。同时，人们还发现了其他的生物卓越的润湿性，如水稻叶【4】、沙漠甲虫的背部【7】、水黾、蚊子等昆虫【8】、蜘蛛丝【9】、鱼鳞等【10】。这些生物的表面都启发了人类在超疏水的设计、制造和应用。据一项全球统计显示，仅2011年一年，关于超疏水表面的文章引用次数在438项人们正在从事的有关化学、物理、工程和生物的活动中排名第七【11】。二．超疏水表面制备方法人们知道荷叶自清洁效应已经很多年了，但是很长的时间内却无法做出荷叶那样的表面来。通过对自然界中典型的超疏水性表面—荷叶的研究发现，在低表面能的固体表面构建具有特殊几何形状的粗糙结构对超疏水性起重要的作用。基于这些原理，科学家们就开始模仿这种表面。现在，关于超疏水粗糙表面的研制已有相当多的报道。一般来说,超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。比如材料学家们可以通过表面处理仿生制备了碳纳米管阵列、碳纳米纤维、聚合物纳米纤维等多种超疏水性表面。关于超疏水表面的研制方法总结起来主要有：蒸汽诱导相分离法、模板印刷法、电纺法、溶胶-凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法、腐蚀法以及其他方法。下面，我们来简单说明一下3种制备方法：1.电纺法江雷等【12】通过一种简单的电纺技术,将溶于DMF溶剂中的PS制成具有多孔微球与纳米纤维复合结构的超疏水薄膜。其中多孔微球对超疏水性能起主要作用,纳米纤维起固定多孔微球的作用,该膜的WCA达到160.4°。Kang等【13】也采用该法制备了PS超疏水膜。Ma等【14】通过电纺法得到PS-g-PDMS和PS共纺的无纺布。由于PDMS在纤维表面富集,并且纤维尺寸为150～400nm,因此,该无纺布WCA可达到163°。该纤维透气性好、柔韧、超疏水等优点使它在纺织和生物领域有很大的应用价值。具有超疏水性的纤维在服装或无纺布方面有很大的潜在应用价值,电纺法无疑是一种很有潜力的方法。2.模板印刷法Sun等【15】使用荷叶作为原始模板得到PDMS的凹模板,再使用该凹模板得到PDMS凸模板,该凸模板是荷叶的复制品,它与荷叶有同样的表面结构,因此表现出良好的超疏水性和很低的滚动角。该工艺类似于“印刷”,因此称为模板印刷法。Lee等【16】用金属镍来代替PDMS,获得竹叶的凹模板。再在金属镍凹模板上使用紫外光固化的高分子材料复制,得到类似竹叶的复制品,该复制品具有超疏水能力。金属镍模板更耐磨、刚性更好、更易准确复制。在Lee的另外一篇文章中还有更多的例子【17】。外,Lai等【18】通过光催化印刷法在TiO-纳米管膜上获得超亲水-超疏水的方法也很有价值。模板印刷法是一种简洁、有效、准确、便宜、可大面积复制的制备方法。有望成为实用化制备超疏水材料的重要方法。3.腐蚀法Qian等【19】采用位错刻蚀剂对铝、铜、锌基体表面进行化学刻蚀，然后用氟烷基硅烷对刻蚀后的表面进行疏水化处理得到接触角大于150。的超疏水金属表面；李艳峰等【20】采用简单的化学刻蚀和表面修饰的方法在多晶铝合金基体上制备了超疏水表面；Guo等【21】也通过化学刻蚀和表面化学修饰的方法，为工程材料在苛刻环境和条件下的使用提供了理论依据和技术基础。Wang等【22】在制备稳定超疏水的金属表面研究中取得突破。该方法简单、廉价，可大面积制备，得到的超疏水薄膜具有很好的环境稳定性(暴露在空气中几个月保持性质不变，即使遇到有机试剂也能保持很好的超疏水性)。该研究结果对于金属的自清洁和防腐蚀有着重要的实际意义，同时为超疏水金属表面的工业化生产奠定了基础。Teare【23】、Youngblood【24】等用等离子体聚合的方法，在棉纤维上聚合含氟烯烃，得到了具有超疏水性的表面，但等离子体技术存在复杂的时效性问题，对设备要求也高。但湿法刻蚀采用化学腐蚀，工序繁杂加工周期长、腐蚀介质污染环境，而干法刻蚀设备昂贵，应用于纺织品粗糙表面的规模化生产还有相当长的距离。Zhang等【25】用一种新的分子聚集的方法在羊毛纺织品上制备了超水表面。Tadanaga等【26】利用溶胶．凝胶法制得透明的氧化铝薄膜，该薄膜经沸水中浸泡、干燥和煅烧等工艺处理后可得到具有花瓣状结构的粗糙表面，制得透明超疏水表面。溶胶．凝胶方法工艺简单、设备低廉，反应过程易于控制，尤其是在薄膜制备方面，不需要真空条件和太高的温度，而且可以在大面积或任意形状的底物上成膜，具有独特的优越性。三．超疏水界面对拉曼测试的增强作用某些粒子在极稀的溶液中，若想测量其浓度十分困难。这在生物医学领域、危险化学品安全、生态污染等问题息息相关【27】。而利用超疏水结构，我们就可以定位和检测极稀的溶液了，此外在结合荧光和拉曼光谱。分子的结构就可以被测定了。医学的早期诊断纳米技术可以带来巨大效益【28】-【32】。例如，血液中有可以揭示疾病的分子或生物标志物，但由于浓度极低，识别非常困难。在普通的实际应用中，由于浓度低，信号噪声比非常低。当利用超疏水结构使得溶液溶剂挥发后，溶质的浓度变大，拉曼荧光光谱的信号增强【33】。四．超疏水表面研究存在的问题超疏水表面由于其独特的表面性能，具有广泛的应用前景。目前制备超疏水表面的方法虽然很多，但仍需开发能够经济、大面积制备具有持久、稳定超疏水性能表面的方法。现在该领域的研究重点应集中在以下几个方面：1.开发简单经济、环境友好的制备方法现有的大多数制备超疏水表面的方法或难以适用于大面积制备，或涉及较昂贵的低表面能物质如含氟硅氧烷，或涉及特定的有机溶剂。为了扩大超疏水表面的应用范围【34】，必须开发出简单经济、环境友好的制备方法。如可将模板法和现有的工业上生产一般塑料薄膜的流延技术相结合，开发适于工业化量产超疏水薄膜的创新技术。2.提高超疏水表面的强度和持久性超疏水表面的自清洁原理不像Ti02超亲水表面由光催化降解和超亲水性共同决定，而是由单纯的超疏水物理特性决定的。因此，在长时间的户外使用过程中，许多超疏水性表面对水的接触角会随户外使用时间的延长而减小，疏水性和自洁性降低【35】。这主要是由于空气中的灰尘、有机污染物等在固体表面吸附聚集引起的。3.开发超双疏表面超疏水表面一般都亲油，在油性环境或长期使用中，油会在表面富集从而影响表面微结构进而影响自清洁性能。为了提高超疏水表面的抗油性能，除了上面提到的引入Ti02纳米粒子外，还可以开发超双疏表面。超双疏表面是指与水和油的接触角都大于150。的表面，它大扩大了超疏水表面在工农业生产上和人们日常生活中的应用范围。五．结论与展望近年来对于自洁表面的研究迅速发展,人们不断地从自然界动植物的表面结构得到启发,制备各种不同结构及功能的表面,这是从自然到仿生的一个十分有意义的课题。目前国际上对此类材料做了较多的研究,不仅提供了形成新的超疏水材料的可能性,而且提出了制备这类功能材料的方式方法。超疏水表面不仅在大量的家庭用商品中有很大应用前景,例如自洁屋顶瓷砖、自洁高墙玻璃、防水涂料等,同时作为一种功能表面在其他科技领域,如卫星天线、雷达的保洁表面、潜艇水体的减阻材料,以及石油化工领域内管壁修饰等具有非常高的应用价值。近年来,微流体技术(Microfluidics)发展非常迅速,目前一个突出的问题就是微流体的控制与定位技术【36】-【38】而器件的微型化使得管道的表面性质,尤其是润湿性能,对流体流动行为具有举足轻重的影响。如果将超疏水表面应用于微流体控制机制中无疑将大大促进微流体技术的发展。今后研究工作的重点应集中在超疏水表面在各个领域，如纺织【39】、涂层【40】、基因传输【41】微流体以及无损失液体输送的广泛应用上!参考文献1.T.Young,Philos.Trans.R.Soc.London1805,95,65.2.W.Barthlott,C.Neinhuis,Planta1997,202,1–8.3.L.Feng,S.H.Li,Y.S.Li,H.J.Li,L.J.Zhang,J.Zhai,Y.L.Song,B.Q.Liu,L.Jiang,D.B.Zhu,Adv.Mater.2002,14,1857–1860.4.LafumaA,QuereD.Superhydrophobicstates.NatureMaterials,2003,2:457~460.5.FengL,LiS,LiY,etal.Super-hydrophobicsurfaces:FromNaturaltoartificial.AdvMater,2002,14:1857~1860.6.H.Ollivier,Ann.Chim.Phys.1907,10,229–288.7.A.R.Parker,C.R.Lawrence,Nature2001,414,33–34.8.X.F.Gao,L.Jiang,Nature2004,432,36–36.9.Y.Zheng,H.Bai,Z.Huang,X.Tian,F.Q.Nie,Y.Zhao,J.Zhai,L.Jiang,Nature2010,463,640–643.10.M.J.Liu,S.T.Wang,Z.X.Wei,Y.L.Song,L.Jiang,Adv.Mater.2009,21,665–669.11.J.Adams,D.Pendlebury,GlobalResearchReport:MaterialsScienceandTechnology,ThomsonReutersScienceWatch,2011,1–16.12.JiangL,ZhaoY,ZhaiJ.Alotus2leaf2likesuperhydrophobicsurface:Aporousmicrosphere/nanofibercompositefilmpreparedbyelectrohydro2dynamics[J].AngewChemIntEd,2004,43:433824341.13.KangMS,JungR,kimHS,etal.Preparationofsuperhydrophobicpolystyrenemembranesbyelectrospinning[J].ColloidSurfA,2008,313